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무선으로 전력 전송하는 시대 온다

  • 2014.05.15.
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전기콘센트에 전원 코드를 꼽지 않았는데 TV를 켤 수 있을까요? 너무 어이없는 질문이라고요? 그래도 일단 대답부터 해보자면 상식적으로는 불가능합니다. 하지만 과학기술이 발달에 발달을 거듭하다보니 이젠 이런 상식도 통하지 않는 시대가 되었습니다.

일정거리가 떨어진 곳에서 무선으로 전력을 전송하는 연구가 성공리에 진행되고 있기 때문입니다. 과연 어떤 이야기인지 무선 전력 전송 기술에 대해 자세히 살펴보겠습니다.

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무선 전력 전송 기술이 사람들의 주목을 얻게 된 계기는 지난 2007년 미국 매사추세츠공대(MIT)의 마린 솔랴치치 교수팀이 2.1m 거리에서 60W의 전력을 무선으로 전송하는 데 성공하면서부터입니다. 솔랴치치 교수팀은 당시 ‘자기결합 공진방식(CMRS)’을 이용해 전력의 무선 전송에 성공했는데요. 이 방식은 입력코일과 부하코일을 활용해서 송·수신 코일의 증폭을 2,000배 가까이 극대화시키는 기술을 말합니다.

하지만 이 방식에는 문제가 있었습니다. 너무 무리하게 증폭시키면 코일이 주변 환경에 매우 민감하게 반응한다는 점이었죠. 이를 쉽게 설명하면 코일 주변에 사람이 움직이거나 주변의 온도가 변해 전력 신호의 주파수가 약간만 바뀌어도 전력을 전송할 수 없게 된다는 것입니다.

또 무선 전력 신호 주파수가 10MHz로 매우 높기 때문에 효율성이 떨어지는 문제도 있었습니다. 이밖에 입력코일, 송신코일, 수신코일, 부하코일 등 코일구조가 많고 복잡한 것과 송수신코일의 부피가 큰 점도 문제로 지적되었습니다. 결국 CMRS는 개발된 지 6년 이상 지났지만 제대로 상용화되지 못했습니다.

 

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그런데 최근 이와는 다른 방식으로 무선 전력 전송을 성공시킨 사례가 나와 새로운 전기를 마련했습니다. 이 연구가 특히 흥미롭고 기쁜 것은 바로 우리나라 카이스트 원자력 및 양자공학과 임춘택 교수가 5m 떨어진 곳에서 209W의 전력을 무선으로 송신하는 연구를 성공시켰기 때문입니다. 임 교수가 성공한 크기의 전력이면 5m 거리에서 스마트폰 40대를 동시에 충전하거나 초대형 LED TV나 선풍기 5대를 동시에 작동시킬 수 있습니다. 이 연구결과는 지난 3월 국제전기전자공학회 전력전자 저널(IEEE Trans. on Power Electronics)에 실렸습니다.

임 교수팀은 CMRS 대신 ‘다이폴 코일 공진방식(DCRS)’을 채택해 앞서 열거한 문제점들을 해결했습니다. DCRS는 긴 막대형 코일을 이용하는 방식입니다. CMRS에서 사용하는 원형 코일과 달리 DCRS의 막대형 코일은 100배만 증폭시켜도 전력을 전송할 수 있어 주변 환경에 큰 영향을 받지 않습니다. 또 1,000Hz대의 낮은 주파수에서 작동하기 때문에 효율성도 매우 뛰어납니다.

이 방식의 작동원리를 좀 더 살펴보면 우선 5m 떨어진 거리에 있는 막대코일에서 209W의 전력을 발생시킵니다. 그러면 이 전력이 TV 옆에 놓인 다른 막대코일을 통해 TV에 공급되는 것입니다. 쉽게 말해 와이파이존과 같은 무선 충전존이 형성되는 것이죠.

 

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그간 무선 전력 전송 기술은 전력을 무선 신호로 보낼 수 있는 거리가 짧다는 한계 때문에 상용화에 어려움을 겪어왔습니다. 다양한 방식의 전송 기술들이 나오긴 했지만 전력을 보낼 수 있는 거리 자체가 짧아 효용성이 떨어졌기 때문입니다.

하지만 임 교수팀은 연구를 통해 기존 기술에 비해 전송거리를 2배 이상 늘리고, 전송전력은 3배 이상 높였습니다. 이 정도면 장거리 무선 전력 전송 기술의 상용화를 앞당기는 계기를 마련했다고 봐도 무리가 없는 수준입니다.

 

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미국의 오시아(Ossia)라는 스타트업 업체에서는 얼마 전 12m 떨어진 거리에서 무선 충전에 성공했습니다. 카이스트의 임 교수팀에서 성공시킨 5m보다 송신거리를 2배 이상 늘린 것입니다. 지금까지의 연구 중 최장거리에서 이뤄진 무선 전력 전송 성공 사례인 셈입니다.

오시아에서 성공한 코타(Cota)라는 기술은 와이파이나 블루투스와 비슷한 주파수 대역을 사용해서 전력을 보내는 방식입니다. 말하자면 스마트폰으로 와이파이를 연결하듯이 전력을 연결해 공급받는 것이죠. 코타는 전력을 송신하는 충전 스테이션과 송신된 전력을 받는 수신부로 이루어져 있습니다.

다만 코타는 1W 정도의 작은 전력을 송신하거나 여러 대의 장치에 전력을 공급할 수 있다고 합니다. 전송 거리는 늘어났지만 전력 효율은 낮기 때문에 더욱 발전한 기술이 개발될 때까지 이 기술은 당분간 전동칫솔 등 전력 소모가 적은 작은 기기에 제한적으로 사용될 수밖에 없을 것 같습니다.

 

아직은 무선 전력 전송 기술이 유선으로 전력을 사용하는 것에 비해 효율이 떨어지고 장치 비용이 비쌉니다. 하지만 무선 전력 전송 기술에 대한 연구가 계속되고 있으니, 조만간 무선으로 전자기기의 전력을 공급받는 시대가 올 것입니다. 집안에서 전기 콘센트와 복잡한 전기코드가 사라지는 날이 곧 올지도 모르겠네요.

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코멘트(1)

  • 지은 3 년 전에

    전자파 문제는 어떻게 되나요?

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